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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 조명우
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수1
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최근 항공, 우주, 자동차 등 다양한 분야의 발전에 따라 난삭재에 대한 수요가 증대 되고 있다. 본 연구에서는 난삭재 (Difficult-to-mac hine-material)로 분류되는 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)을 가공하는 데 있어서 Minimum Quantity Lubrication(MQL) Mist와 Cryogenic Gas를 함께 분사할 수 있는 분사 노즐을 설계하였다. Computational Fluid Dynamics(CFD)를 이용하여 노즐 설계 주요 인자의 변경에 따른 분사 경향을 파악하고, CFD결과를 토대로 최적값을 도출해내어 노즐의 최적설계를 수행하였다. 이후, 실제 가공을 통해 노즐의 성능을 검증하고 Cryogenic Gas 및 MQL Mist의 유량 최소화 및 피삭재의 가공특성 향상을 확인하였다.
본 연구를 수행하기 위해 설계한 노즐은 내부 혼합식 이유체 분사밸브의 모형을 기반으로 기본노즐을 설계하였으며, ‘분사집중도’, ‘높은 분사속도’, ‘적정 냉각온도’의 목적으로 설정하였다. 목적을 달성하기 위해 분사경향에 영향을 줄 것이라 예상되는 주요 인자 네 가지를 설정하였으며, 기본 노즐을 비교대상으로 지정하여 네 가지 주요인자 중 세 가지를 고정시키고 한 가지 인자를 변화시켜 해당 인자의 변화에 따른 분사경향을 CFD를 통해 확인하여 최적조건을 도출해내었다. 최적조건을 기반으로 설계된 노즐을 바탕으로, ‘Cryogenic Gas 유량 최소화’라는 목적치를 추가하여, 목적 달성을 위한 새로운 주요 인자를 바탕으로 CFD를 추가적으로 진행 및 분석을 통해 유량 최소화를 달성할 수 있는 노즐을 설계하였다.
최적화된 복합노즐을 이용하여 가공 시에 대한 효과검증을 수행하기 위해 Wet, Dry, MQL, Cryogenic, CryoMQL machining을 수행하였으며 가공결과 복합분사 노즐을 활용하는 경우, 동일유량을 사용할 때에 비해 절삭온도를 약 23%(약 100℃)가량 낮출 수 있음을 확인하였다. 또한, 노즐을 활용하는 경우 같은 가공조건에서 동일 유량을 사용하는 것에 비해 약 250% 더 많은 체적이 절삭 가능하다는 것을 확인하였다.
복합노즐을 사용하여 가공을 진행하는 CryoMQL방식의 경제성분석을 진행한 결과, 기존의 친환경 가공방식인 MQL방식에 비해 유량의 사용비용은 조금 더 발생하지만, 공구마모가 발생하지 않아 추가적인 공구비용이 발생하지 않았고, 이로 인해 기존 친환경 가공방식보다는 비용적인 우위를 달성할 수 있음을 확인하였다. 또한, 동일한 절삭체적(25,920mm3)을 기존의 가공조건인 220mm/mim에서 440mm/min으로 2배 올려 생산성을 향상시킴에 있어서 CryoMQL가공방식이 Wet가공과 비슷한 성능을 낼 수 있다는 것을 확인할 수 있었고, 이를 통해 하이브리드 분사노즐을 사용하는 친환경 가공방식이 절삭유 사용상의 환경문제를 해결하는 하나의 방법이 될 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 연구를 수행하기 위해 설계한 노즐은 내부 혼합식 이유체 분사밸브의 모형을 기반으로 기본노즐을 설계하였으며, ‘분사집중도’, ‘높은 분사속도’, ‘적정 냉각온도’의 목적으로 설정하였다. 목적을 달성하기 위해 분사경향에 영향을 줄 것이라 예상되는 주요 인자 네 가지를 설정하였으며, 기본 노즐을 비교대상으로 지정하여 네 가지 주요인자 중 세 가지를 고정시키고 한 가지 인자를 변화시켜 해당 인자의 변화에 따른 분사경향을 CFD를 통해 확인하여 최적조건을 도출해내었다. 최적조건을 기반으로 설계된 노즐을 바탕으로, ‘Cryogenic Gas 유량 최소화’라는 목적치를 추가하여, 목적 달성을 위한 새로운 주요 인자를 바탕으로 CFD를 추가적으로 진행 및 분석을 통해 유량 최소화를 달성할 수 있는 노즐을 설계하였다.
최적화된 복합노즐을 이용하여 가공 시에 대한 효과검증을 수행하기 위해 Wet, Dry, MQL, Cryogenic, CryoMQL machining을 수행하였으며 가공결과 복합분사 노즐을 활용하는 경우, 동일유량을 사용할 때에 비해 절삭온도를 약 23%(약 100℃)가량 낮출 수 있음을 확인하였다. 또한, 노즐을 활용하는 경우 같은 가공조건에서 동일 유량을 사용하는 것에 비해 약 250% 더 많은 체적이 절삭 가능하다는 것을 확인하였다.
복합노즐을 사용하여 가공을 진행하는 CryoMQL방식의 경제성분석을 진행한 결과, 기존의 친환경 가공방식인 MQL방식에 비해 유량의 사용비용은 조금 더 발생하지만, 공구마모가 발생하지 않아 추가적인 공구비용이 발생하지 않았고, 이로 인해 기존 친환경 가공방식보다는 비용적인 우위를 달성할 수 있음을 확인하였다. 또한, 동일한 절삭체적(25,920mm3)을 기존의 가공조건인 220mm/mim에서 440mm/min으로 2배 올려 생산성을 향상시킴에 있어서 CryoMQL가공방식이 Wet가공과 비슷한 성능을 낼 수 있다는 것을 확인할 수 있었고, 이를 통해 하이브리드 분사노즐을 사용하는 친환경 가공방식이 절삭유 사용상의 환경문제를 해결하는 하나의 방법이 될 수 있음을 확인할 수 있었다.
목차
목 차요 약 문 iAbstract iiiList of Figures viiList of Tables xiv제 1 장 서 론 11.1 연구 배경 11.1.1 난삭재 가공 기술의 필요성 11.1.2 친환경 가공 기술의 필요성 41.2 연구 동향 81.3 연구 목적 및 방법 12제 2 장 이론적 배경 132.1 노즐 설계 배경이론 132.1.1 베르누이 정리 132.1.2 이유체 분사밸브 162.1.2.1 분사밸브의 설계 162.2 절삭가공 192.2.1 밀링공정 202.2.2 공구마모 및 파손 222.3 MQL이론 242.4 밀링가공 경제성 분석이론 26제 3 장 내부혼합식 동시분사 노즐 설계 313.1 내부혼합식 동시분사 노즐 설계 및 최적화 313.1.1 동시분사 노즐 기초 설계 313.1.2 CFD를 활용한 노즐 최적화 방법 333.1.3 CFD결과 분석 및 노즐 설계 최적화 383.1.4 최적조건 기반 유량최소화 설계 및 CFD 56제 4 장 내부혼합식 복합분사 노즐 성능 검증 614.1 분사검증 실험 614.2 성능검증 실험 674.2.1 소재 및 장비 674.2.2 기초 실험 조건 선정 754.2.3 기초실험 결과 및 분석 814.2.4 가속조건 실험 및 결과 854.2.5 티타늄합금 친환경 밀링가공 경제성분석 90제 5 장 결론 96
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